高光谱成像方法之基于光谱滤波器的方法

基于光谱滤波器的高光谱成像仪不太受欢迎，并且是最近才出现的。一个或多个光谱滤光片，例如吸收滤光片或干涉滤光片，用于传输所选择的感兴趣的光谱带。当光束通过滤光片时，其一些光谱成分通过吸收或干涉过程被阻挡，而所需的光谱成分被透射。从紫外线到远红外区域，各种尺寸的吸收或干涉滤光片均可作为商用现货 (COTS) 产品提供。电子可调滤波器(ETF)是另一种频谱滤波器，它通过控制电压或声信号等来传输所需的频谱带。

基于光谱滤波器的高光谱成像仪的基本原理类似于基于色散元件的成像仪。然而，主要区别在于，来自望远镜的辐射光直接聚焦在二维滤光片上，而不是在传统光谱仪中通过光栅或棱镜进行准直然后分散。该滤波器的尺寸与二维探测器阵列相同，并安装在靠近探测器敏感表面的位置。它将地面采样单元的光谱内容分布在光谱维度上。

光谱滤波器的一个示例是光楔形滤波器，也称为线性可变滤波器(LVF)。它是一种涂有干涉滤光片的玻璃，其厚度沿一个方向增加。该方向称为光谱方向。通带，即透射曲线峰值的光谱位置，随着沉积物的厚度而变化，如图1所示。因此，光谱通带沿着滤波器的一个物理维度线性变化。

图 1.LVF 及其光谱通带

图2说明了基于 LVF 的高光谱成像仪的概念。在望远镜收集地面场景的输入辐射光后，可以通过在二维探测器阵列前面放置 LVF 来构建简单的推扫式高光谱成像仪。仪器的二维探测器阵列可以立即“看到”完整的场景。回想一下第 II-A 节中所描述的，在推扫模式下工作的基于色散元件的高光谱成像仪在某一时刻采集地面上的整个交叉轨迹线(见图 2)，而在拂扫模式下工作的基于色散元件的高光谱成像仪采集地面上的整个交叉轨迹线。同一时刻，交叉轨道线上有一个地面采样单元)。与基于色散元件的高光谱成像仪不同，基于 LVF 的高光谱成像仪同时采集视场 (FOV) 中的所有交叉轨迹线，这是因为基于 LVF 的高光谱成像仪的 FOV 不仅限于沿轨道方向通过狭缝形成一条交叉轨道线。二维探测器阵列的每一行都会对 FOV 的相应交叉轨迹线进行成像，但其波段与相邻线不同。因此，在探测器帧成像的每个时刻，都会获取完整的二维场景。场景的每条线都是以不同的波长采集的。当卫星飞过场景时，每个滤镜行都会经过场景。一旦完整的视场经过了传感器，每个不同的滤光片行感测场景中地面采样单元的所有交叉轨迹线并获取所有光谱分量。通过重组这些在不同时刻获取的图像，可以重建每个地面采样单元的全光谱曲线。

图 2.基于 LVF 的高光谱成像仪概念的图示

至少有两个星载高光谱成像仪使用 LVF 来色散辐射光的光谱。2018 年 4 月发射的印度迷你卫星 1 (IMS-1) 上的高光谱成像仪 (HySI) 使用 LVF，覆盖 400 至 950 nm 的波长范围，分散在探测器阵列的 512 个光谱元素上。这导致了大约 1 nm 光谱采样间隔 (SSI) 的过采样。考虑到应用要求和数据速率的限制，采用了8频段分级。合并后，光谱带宽变为8 nm，总共64个光谱带[53]。另一种基于 LVF 的星载高光谱成像仪是高光谱纳米卫星 HyperScout。它是一个3U立方体卫星，高光谱成像仪为1U(10厘米×10厘米×10厘米)。LVF 覆盖的波长范围为 450 至 900 nm，SSI 为 10 nm。

采用基于法布里-珀罗干涉仪 (FPI) 的滤光片来传输选定的感兴趣的光谱带。法布里-珀罗滤光片允许某些波长通过，而其他波长则被滤除。其透射光谱作为波长的函数表现出与标准具的共振相对应的大透射峰值。通过仔细控制反射镜表面之间的距离，法布里-珀罗滤光片可以设计为仅传输所需的窄波长带。吉伦等人。 [34]据报道，可见光和近红外 (VNIR) (400-1000 nm) 波长范围内的法布里-珀罗滤光片采用传统半导体制造工艺制成，并直接集成在包含硅基 CMOS 图像传感器芯片的晶圆顶部。在探测器阵列顶部使用单片集成法布里-珀罗滤光片是将光谱学与高光谱成像仪成像技术相结合的创新方法。这可以实现低成本、紧凑性和高速度。作为这项创新技术的自然演变，基于 CMOS 的法布里-珀罗滤光片的波长范围已扩展到 SWIR：1000-1700 nm，以及基于 InGaAs 的探测器阵列。

这种新的集成方法是独特的，具有吸引人的优势：首先，将滤波器和探测器阵列的生产合并到一个 CMOS 兼容工艺中，从而实现整体简化和成本降低，并实现大规模生产。其次，单片集成减少了相邻频段之间的串扰，并减少了系统中的杂散光。这也对系统的灵敏度和速度产生积极影响。图3上半部分显示了在 VNIR 波长范围内工作的 1088 行 x 2014 像素的硅基 CMOS 探测器阵列。当探测器阵列在晶圆级制造时，相同尺寸的带通法布里-珀罗滤波器集成在探测器阵列特定行的像素顶部。滤光片的光谱带通由两个平行镜面之间的距离(即厚度)控制。相同的带通法布里-珀罗滤波器可以部署在探测器阵列的多行上。在图中，相同的带通滤波器(具有相同的厚度)被集成在每六个相邻像素行的顶部。这些多行像素具有相同的沉积过滤器厚度(或高度)，看起来像楼梯的台阶。

图 3.OCSF(每个台阶有六行，具有相同的光谱带通滤波器)和两个基于 OCSF 的高光谱相机

OCSF 的配置是沿轨道方向一个接一个布置的一系列滤光片行，允许创建与基于 LVF 的高光谱成像仪相同的推扫式高光谱成像仪。最重要的是，这种配置提供了使用相同光谱带通的多个探测器行(例如六行)来感测地面物体的选择，以使用片上延时积分或光谱维度中的片外数据合并来提高 SNR。图3所示的带有 OCSF 的 VNIR 探测器阵列具有 181 个光谱带，波长范围为 450 至 960 nm，SSI 为 5 nm。每个光谱带的半峰全宽(FWHM)约为15 nm。台阶的宽度是六个探测器行(这些行放置在相同的法布里-珀罗滤波器上)。

图3的下半部分显示了 IMEC 使用 OCSF 制造的两台 COTS 高光谱相机。它们由前光学器件和带有集成 OCSF 的硅基 CMOS 探测器阵列以及成像控制电子设备组成。高光谱相机中没有光谱仪。这就是为什么它们的体积和质量都很小。圆形相机采用 IMEC 第一代 OCSF，覆盖 600-1000 nm 的光谱范围，约 100 个光谱带和 5 nm 带宽。其体积约为6厘米×6厘米×8厘米。质量约为0.6公斤。方形相机采用IMEC第二代OCSF，覆盖470-960 nm的光谱范围，约150个光谱带。

基于 ETF 的高光谱成像仪使用安装在单色相机前面的滤光片，通过电子方式调整其光谱传输(即带通)，以产生一系列波长的图像切片堆栈。ETF是一种可以通过施加电压、声信号等以电子方式控制光谱传输的装置[27]。基于 ETF 的高光谱成像仪的优点是，当滤光片调谐到特定的带通波长时，会立即形成光谱带的整个二维空间图像。与基于色散元件和基于LVF/OCSF的高光谱成像仪不同，不需要通过卫星飞行运动观察多条交叉轨迹线来获得第二空间维度或累积光谱维度。这一优势的代价是在卫星移动其视场以观察地面上的下一个场景之前，需要额外的时间来调整 ETF 以覆盖整个波长范围。

ETF 通常分为以下三类。

液晶可调谐滤波器(LCTF)。

声光可调谐滤波器(AOTF)。

基于干涉仪的滤波器。

LCTF 使用电子控制液晶元件来传输所需波长的光并阻挡其他波长的光。它具有图像质量高、相对容易集成到光学系统中的优点。其缺点是由于使用了多个偏振元件，因此与传统的固定波长滤光片相比，峰值透射率较低。AOTF 基于衍射原理。声光调制器，也称为布拉格盒，利用声光效应来衍射和改变光的频率。与 LCTF 相比，AOTF 具有更快的调谐速度(微秒与毫秒)和更宽的波长范围。其缺点是由于声波的声光效应使光发生衍射和偏移，成像质量相对较差。

比较了基于 AOTF 和基于 LCTF 的高光谱成像仪在医疗应用中的性能，目的是突出两种类型滤波器的杠杆点，以便于在高光谱成像仪设计中进行选择。在他们的实验中，检查了三个参数：光谱分辨率、带外抑制(即光谱串扰)和空间分辨率意义上的图像质量。实验结果表明，基于AOTF的高光谱成像仪在光谱分辨率、带外抑制和波长之间的随机切换速度方面表现出优越性，而基于LCTF的高光谱成像仪在空间图像分辨率、水平和方向方面都有更好的性能。垂直和高清质量。他们的结论是，高光谱成像仪的有效设计取决于应用。例如，对于医疗应用，如果感兴趣的组织需要更多光谱信息来实现未定义的光学特性，或者包含接近的光谱特征，AOTF 可能是更好的选择。否则，LCTF 使用起来更方便、更简单，特别是在需要组织发色团的空间映射时。

中国嫦娥三号月球飞船搭载的可见光和近红外成像光谱仪(VNIS)是一种基于AOTF的高光谱成像仪。嫦娥三号于2013年12月6日进入绕月轨道，并于2013年12月14日在月球软着陆。

法布里-珀罗滤波器是一种基于干涉仪的滤波器。图 4显示了基于法布里-珀罗滤波器的高光谱成像仪的概念图。法布里-珀罗滤光片安装在成像光学器件的前面，仅让处于共振条件λ = 2 d的光通过(第一个订单)。每个板分离都会生成一个波长的二维图像，其光谱范围由传输响应的 FWHM 给出。这里使用的法布里-珀罗滤波器的方式与基于片上法布里-珀罗滤波器(OCFPF)的高光谱成像仪的方式不同。这里使用的法布里-珀罗滤波器可通过电子控制腔的宽度来调节带通，而片上滤波器中使用的法布里-珀罗滤波器沉积在晶圆制造级的 CMOS 探测器阵列顶部，固定腔用于固定带通。

图4.基于电子可调法布里-珀罗滤波器的高光谱成像仪的概念图

至少有两种基于电子可调法布里-珀罗滤波器技术的星载高光谱成像仪。温室气体卫星演示器 (GHGSat-D) 微型卫星任务于 2016 年 6 月发射[35]，使用电子可调法布里-珀罗滤波器，工作波长范围为 1600 至 1700 nm，光谱分辨率约为0.1纳米。选择此波长范围和光谱分辨率是因为存在温室气体甲烷和二氧化碳的光谱特征，以及来自其他大气物质 H 2的干扰相对较小特别是O。这种基于ETF的小型化高光谱成像仪质量为5.4千克，体积为36厘米×26厘米×180厘米。另一种使用可调谐法布里-珀罗滤波器的星载高光谱成像仪是 2017 年 6 月发射的 Aalto-1 3U 立方体卫星上的 Aalto-1 光谱成像仪 (AaSI)。法布里-珀罗滤波器在闭合电容反馈环路中由三个不同的压电执行器覆盖 500–900 nm 的光谱范围，光谱分辨率为 6–20 nm。